МОРСКАЯ СЕЙСМОМЕТРИЯ ЛЕКЦИЯ 2 ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ИСТОЧНИК

МОРСКАЯ СЕЙСМОМЕТРИЯ ЛЕКЦИЯ № 2 : ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ИСТОЧНИК УПРУГИХ ВОЛН. ЧАСТЬ 1. КУРС ЛЕКЦИЙ ДЛЯ 1 -ГО КУРСА МАГИСТРАТУРЫ

ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Физические основы электроискрового возбуждения упругих волн : эффект Юткина История применения электрогидравлического эффекта в различных сферах производства Линейные и нелинейные эффекты, протекающие в результате электроискрового возбуждения. Пределы линейности. Характерная форма импульса «Спаркера» . Основные параметры. Максимальный радиус пузыря : возможность вычисления. Почему второй положительный пик давления больше первого? История исследования электроискрового источника упругих волн.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЗМА Л. А. Юткин 1933 : начало изучения искровых электрических разрядов в воде Конец 1930 -х : принцип получения сверхдлинных разрядов. 1948 : Патент на способ получения электрогидравлического эффекта.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Существует версия о том, что Л. А. Юткин открыл электрогидравлический эффект, наблюдая грозу на открытом водоеме (озере). После того, как молния ударила в озеро, произошел мощный взрыв. Этот эпизод произошел еще в 1930 -е годы, и Л. А. Юткину потребовалось более десятилетия, чтобы воспроизвести этот эффект в лаборатории.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Суть электрогидравлического эффекта : При осуществлении внутри объема жидкости импульсного электрического разряда, вокруг зоны его образования возникают высокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу.

ЯВЛЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЖИДКОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ A – этапы ступенчатого развития стримера (I-VI) Б – схема процесса для V этапа B – схема процесса для момента VI этапа 1 - отдельные боковые «усы» стримера 2 – оболочка у основания Стримера 3 – главный канал стримера 4 – канал уса стримера 5 – оболочка 6 - электрод

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ СФЕРИЧЕСКОМ ВЗРЫВЕ 1 – расширяющиеся газообразные продукты взрыва 2 – положение фронта ударной волны

КАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ А – момент возникновения кавитирующего кольца при захлопывании области Б – характер искажения полости под влиянием кавитирующего кольца. 1 – электроды, 2 – кавитационная полость, 3 – кавитирующее кольцо, 4 – пузырьки кавитации, 5 – растянутые пузырьки

СХЕМА ПРОЦЕССА ПУЛЬСАЦИИ КАВИТАЦИОННОЙ ПОЛОСТИ 1. Жидкость 2. Прорыв полости 3. Всплески краев полости 4, 6, 8, 10 и 5, 7, 9 – этапы развития полости в моменты расширения и сжатия соответственно, 11 – электроды.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ В ВОДЕ В диапазоне напряжений 1 -100 к. В, известны два механизма пробоя : 1. 2. Стримерный (лидерный) – высокие напряжения Тепловой – низкие напряжения

СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЖИДКОСТИ А – при подаче импульса на электроды Б – при прорастании стримера 1 – эквипотенциальные поверхности поля 2 – силовые линии поля 3 – стример 4 – оболочка канала стримера

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА Электрогидравлический эффект в 1940 -1950 -е годы успешно применялся в следующих отраслях : 1. 2. 3. 4. Машиностроение и металлообработка Производство строительных материалов Агропромышленнность etc

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА Однако, к началу 1960 -х годов остро встал вопрос о разработке невзрывных морских источников. Здесь и начинается история «Спаркера» . Судно «Московский университет» , бывшая яхта Иосифа Сталина

НАГРЕВАНИЕ ЖИДКОСТИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОБОЯ Пусть в жидкость помещен сферический электрод радиусом а, второй электрод радиусом b >> a отнесен в бесконечность. ∆T – изменение температуры среды относительно начальной γ – удельная теплоемкость d – плотность вещества σ – проводимость жидкости

НАГРЕВАНИЕ ЖИДКОСТИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОБОЯ В силу сферической симметрии, изменение температуры ∆T жидкости на расстоянии r >> a от центра электрода описывается формулой : Где С – емкость накопителя электрической энергии, заряженного до напряжения U

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ И ВОЛНЫ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ. НЕЛИНЕЙНОСТЬ Cущественным отличием ударных волн и волн конечной амплитуды от волн, изучаемых в линейной акустике, является зависимость скорости распространения ударных волн от величины давления : изменение профиля волны по мере ее распространенния в жидкости и уменьшение амплитуды волны в зависимости от формы и амплитуды давления. Оба этих эффекта ОТСУТСТВУЮТ в линейной акустике.

НЕЛИНЕЙНОСТЬ Следовательно, первое требование к методике : оценка влияния нелинейных эффектов. При давлениях меньших, или равных 200 г. Па можно говорить о линейной области и p(R) ≈1/R с точностью до 10 %.

ХАРАКТЕРНАЯ ФОРМА ИМПУЛЬСА Т А 1, А 2 – пики положительного давления. ∆t 1, ∆t 2 – длительности первого и второго пиков А 3 – амлитуда отрицательного пика давления T – интервал времени между положительными пиковыми значениями давления.

ПОЧЕМУ ВТОРОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ПИК БОЛЬШЕ ПЕРВОГО? Можем ли мы, в случае «Спаркера» , опираясь на формулы Рэлеевского приближения рассчитать максимальный радиус пузыря? Ответ : НЕТ. Знаем ли мы величину полной энергии Е в случае Спаркера? НЕТ! НИКОГДА!

ПОЧЕМУ ВТОРОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ПИК БОЛЬШЕ ПЕРВОГО? 0. 001 I(t) 0. 0008 0. 0006 0. 0004 0. 0002 0 7 8 P(t) 9 10 11 12 13 Плотность тока в цепи спадает постепенно, подкачка энергии продолжается во время того, как расширяется область. t Максимальный радиус будет здесь. Если пренебречь нелинейностью процессов, происходящих внутри пузыря, то t

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСА «СПАРКЕРА» На протяжении 1960 -1980 -х годов велась работа по изучению электроискрового источника и влияния на его форму различных параметров. В. В. Калинин Результаты этих работ легли в основу книги «Сейсмоакустические исследования на акваториях» А. В. Калинина, В. В. Калинина и Б. Л. Пивоварова. В. В. Калинин (1938 -2013)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСА «СПАРКЕРА» Регистратор дискретного действия – РДД. Позволял вести работу в условиях движения судна и записывать методом переменной плотности акустический сигнал на электрохимическую бумагу (ЭХБ). Невоспроизводимая запись, отсутствует возможность обработки. Регистрирующее устройство , записывающее сейсмические данные на электрохимическую бумагу.